【正文】 老年助行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文第1章 緒論 課題背景據(jù)全國(guó)老齡辦的研究報(bào)告顯示當(dāng)前中國(guó)已進(jìn)入快速老齡化階段。在這一階段，中國(guó)平均每年將新增596萬(wàn)老年人口，到2020年。伴隨老齡化過(guò)程最為顯著的特征就是由于身體機(jī)能衰退而引起的行走能力下降，這嚴(yán)重影響了老年人的日常生活質(zhì)量口J。與此相對(duì)的是目前廣泛使用的助行設(shè)備(如，拐杖、助步架等)功能比較單一，智能化程度低，安全性和舒適性都不足，無(wú)法滿足使用者獨(dú)立生活的需求。因此，將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的助行設(shè)備領(lǐng)域，設(shè)計(jì)更智能更舒適更安全的助行機(jī)器人系統(tǒng)有著必要性。 國(guó)外助行機(jī)器人的研究 愛(ài)爾蘭PAMAID 助行機(jī)器人愛(ài)爾蘭Shane MacNamara等開(kāi)發(fā)了叫PAMAID 的助行器，PAMAID 的項(xiàng)目是在1994 年與愛(ài)爾蘭首都都伯林開(kāi)展的，項(xiàng)目旨在幫助一些視力和體力不太好的患者步行。由于視力受損而且體力有限極大的限制了一個(gè)人的移動(dòng)自由，其提供了一個(gè)更為安全和享受的步行經(jīng)歷。項(xiàng)目由特瑞擬題基金、國(guó)家康復(fù)管理委員會(huì)和歐盟信息通訊應(yīng)用贊助。這個(gè)助行機(jī)器人在2000 年才首次作為商業(yè)用途制造出來(lái)，其中有5 個(gè)機(jī)器人被美國(guó)老兵事務(wù)部購(gòu)買(mǎi)。機(jī)器人底盤(pán)有四個(gè)輪子，其中由兩個(gè)電機(jī)分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)前輪，而且電機(jī)只負(fù)責(zé)改變輪子轉(zhuǎn)向，并不提供任何動(dòng)力。兩前輪之間沒(méi)有連桿相連，轉(zhuǎn)向半徑很小。機(jī)器人底盤(pán)有四個(gè)輪子，其中由兩個(gè)電機(jī)分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)前輪，而且電機(jī)只負(fù)責(zé)改變輪子轉(zhuǎn)向，并不提供任何動(dòng)力。兩前輪之間沒(méi)有連桿相連，轉(zhuǎn)向半徑很小。機(jī)器人帶有自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，可以有效地在傳感范圍內(nèi)避障，包括靜止和移動(dòng)的障礙物，能有效地保障用戶(hù)的安全。圖11 PAMAID 美國(guó)SmartCane 助行機(jī)器人這種機(jī)器人的研制主要是為了滿足盲人行走障礙，而不再是在PAMAID 中所設(shè)計(jì)的為了滿足一些實(shí)力受損或者體力不好的用戶(hù)。盲人如果想使用一般助行器必然會(huì)遇到很多困難，為了提供智能輔助行走，感知功能和健康檢測(cè)系統(tǒng)，美國(guó)Dubowsky 等人于1999 年研發(fā)了PAMM 系統(tǒng)。Smartcane 機(jī)器人只適用于在一般的平地或者小于五度的斜坡上行走，比一般的4 點(diǎn)支圖12 Smartcane助行機(jī)器人撐拐杖能提供更好的平衡性，而且機(jī)器任課以通過(guò)系統(tǒng)地圖，用戶(hù)指令，感知的障礙來(lái)提供目的地行走指導(dǎo)。機(jī)器人還提供了包括健康檢測(cè)功能和與管理員電腦通訊的功能。機(jī)器人的尺寸很緊湊和穩(wěn)定，重量不超過(guò)15 公斤,運(yùn)行速度從0 ，在垂直方向 提供的支撐力為50 公斤，在其他兩個(gè)方向提供的支撐力為4 公斤左右。機(jī)器人上帶有電池，可以供給機(jī)器人連續(xù)8 小時(shí)運(yùn)行。機(jī)器人還具有計(jì)算功能，足夠滿足機(jī)器人路徑規(guī)劃，控制，健康檢測(cè)和通訊功能。機(jī)器人身上帶有聲學(xué)和視覺(jué)傳感器，用來(lái)檢測(cè)障礙物，提供行走輔助。機(jī)器人是通過(guò)力覺(jué)手柄和聲音來(lái)傳遞給機(jī)器人命令的，價(jià)格不超過(guò)5000 美金，的確是可以作為盲人的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的一款機(jī)器人。 韓國(guó)WAR 助行機(jī)器人由韓國(guó)理工大學(xué)的Shim等人與2004年研制開(kāi)發(fā)出WAR（walking assistantrobot）助行機(jī)器人主要是用于幫助老年人在戶(hù)外行走的一款有別于以往一般只能在戶(hù)內(nèi)比較平坦地形行走的步行機(jī)器人。WAR 助行機(jī)器人不僅具有輔助支撐和行走功能，還具有輔助升降機(jī)構(gòu)。升降機(jī)構(gòu)是傾斜上升，可以減少用戶(hù)在站立時(shí)膝蓋負(fù)載，對(duì)一些體力不足的老年人特別有用。這個(gè)樣機(jī)還帶有供人倚靠的支撐墊，可以支撐用戶(hù)的身體，保護(hù)用戶(hù)安全，不用擔(dān)心向前傾倒。機(jī)器人高度為1m，并且可以調(diào)整。機(jī)器人還具有障礙物檢測(cè)和避讓功能，通過(guò)觸摸手柄讓感知用戶(hù)意圖。此種助行機(jī)器人比一般助行器輔助行走更簡(jiǎn)單，通過(guò)GPS/GIS 導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)尋找路徑。目前這種機(jī)器人已經(jīng)投入生產(chǎn)，并且已經(jīng)證實(shí)具有比較好的助行效果，不過(guò)目前并沒(méi)有大規(guī)模生產(chǎn)，這種助行機(jī)器人仍舊還需要進(jìn)行很多的改進(jìn)。圖13 WAR 助行機(jī)器人 日本助行機(jī)器人 豐田汽車(chē)于2008 年8 月1 日宣布，開(kāi)發(fā)出了站乘型助行機(jī)器人“Winglet”。 2007 年發(fā)布的坐乘型機(jī)器人“MOBIRO”主要以老年人為對(duì)象，而Winglet 則設(shè)想用于較為年輕的人群。不過(guò)，二者使用的前提均是人行道圖14 HITACHI 助行機(jī)器人和樓內(nèi)等適合步行的場(chǎng)所。機(jī)器人的尺寸為:265464462mm， 千克，最高速度6 km/h，充電時(shí)間1 小時(shí)，可巡航5 km。機(jī)器人采用便攜式設(shè)計(jì)。配備有角度傳感器,陀螺傳感器和車(chē)輪速度傳感器，可根據(jù)駕駛狀態(tài)用兩個(gè)輪子穩(wěn)步行走。前進(jìn)與后退方面，通過(guò)檢測(cè)身體重心的前后移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，機(jī)體內(nèi)部采用平行鏈構(gòu)造，通過(guò)左右移動(dòng)重心時(shí)平行鏈向一側(cè)傾斜來(lái)檢測(cè)駕駛者的轉(zhuǎn)意向。通過(guò)左右車(chē)輪轉(zhuǎn)速的不同實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。更換機(jī)體上部的操控桿，可變換成“Type S”、“Type M”以及“Type L”三種類(lèi)型。Type S 和M 為用雙腳夾住機(jī)身不用雙手即可操控、Type L 是用雙手握住操控桿進(jìn)行操控的類(lèi)型。三種類(lèi)型均配備有鋰離子充電電池，充滿電需要1 小時(shí)。最高速度為6km/h。重量方面，Type S 、Type M 和L 。行駛距離方面，Type S 為5km、Type M 和L 為10km。日本W(wǎng)aseda 大學(xué)于2006 年研發(fā)成功HITACHI 助行機(jī)器人。 可穿戴的外骨骼式助行機(jī)器人韓國(guó)科學(xué)家KyoungchulKong等研發(fā)的可穿戴的外骨骼式助行機(jī)器人。外骨骼式的結(jié)構(gòu)，很好地解決了患肢運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的支撐問(wèn)題，其硬鋁材質(zhì)的雙邊結(jié)構(gòu)不僅在保持剛性的 前提下大大的減輕了機(jī)器人本體的質(zhì)量，并且為監(jiān)測(cè)上肢肌肉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的電極放置提供了便利．機(jī)器人的設(shè)計(jì)從解剖學(xué)的角度出發(fā)，模仿人體的上肢運(yùn)動(dòng)，并支持恢復(fù)機(jī)體功能的專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練治療。機(jī)器人共采用4 個(gè)Maxon 電機(jī)來(lái)帶動(dòng)人體踝關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，能夠提供動(dòng)力給人體，調(diào)節(jié)人體下肢姿態(tài)。其中光電編碼器用來(lái)讀取裝置的位置信息，力矩傳感器獲取運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的關(guān)節(jié)力矩變化。此機(jī)器人采用氣動(dòng)執(zhí)行器來(lái)驅(qū)動(dòng)其升降機(jī)構(gòu)。采用四輪驅(qū)動(dòng)以提供足夠動(dòng)力驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，必要時(shí)可以引導(dǎo)用戶(hù)行走。圖15 可穿戴的外骨骼式助行機(jī)器人 國(guó)內(nèi)助行機(jī)器人的研究 多功能助行機(jī)器人哈爾濱工程大學(xué)的學(xué)生研制出一種多功能助行機(jī)器人。這種助行機(jī)器人實(shí)用性強(qiáng)，能幫助截癱患者或行走功能障礙患者進(jìn)行行走功能康復(fù)訓(xùn)練和減重訓(xùn)練，還可作為患者日常生活中的代步工具。它基于繩驅(qū)動(dòng)、輪驅(qū)動(dòng)和腿部行走機(jī)構(gòu)共同作用的綜合訓(xùn)練平臺(tái)，同時(shí)根據(jù)曲柄搖桿原理，利用搖桿末端圓弧軌跡來(lái)模擬正常人行走時(shí)大腿末端軌跡，最后通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)腿部行走機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)輪的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制，總體可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外移動(dòng)、走步訓(xùn)練、起坐等功能，幫助殘疾人實(shí)現(xiàn)邁步動(dòng)作，達(dá)到訓(xùn)練下肢目的。它主要在于提供一種既具有一般輪椅的通用性又能夠幫助截癱患者或行走不便病人圖16 多功能助行機(jī)器人 行行走鍛煉、有利于殘疾人自主進(jìn)行腿部康復(fù)訓(xùn)練并能進(jìn)行減重訓(xùn)練、下肢關(guān)節(jié)和肌肉的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等康復(fù)訓(xùn)練功能，起坐、下蹲（坐沙發(fā)、上廁所）等生活技能訓(xùn)練的一種多功能助行機(jī)器人?？梢杂糜谙忍煨酝炔繗埣惨约坝赡X血栓后遺癥、脊髓損傷、腦性麻痹、肌肉萎縮、意外事故等。引起的后天性腿部殘障，截癱或偏癱患者的腿部訓(xùn)練。同時(shí)多功能助行機(jī)器人具有動(dòng)力源，采用雙輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)，殘疾人可以隨著機(jī)器人的前行而進(jìn)行走步鍛煉。腿部行走機(jī)構(gòu)根據(jù)曲柄搖桿原理，利用搖桿末端圓弧軌跡模擬人走步時(shí)的大腿末端軌跡，隨著機(jī)器人移動(dòng)，行走機(jī)構(gòu)給殘疾人腿部一定的推力，幫助殘疾人雙腿實(shí)現(xiàn)邁步動(dòng)作，并且滿足正常人行走時(shí)雙腿的180176。相位差，使殘疾人更好的完成走步訓(xùn)練。我國(guó)短時(shí)間內(nèi)“銀齡”群體的急劇膨脹對(duì)老年人助行器設(shè)計(jì)的“質(zhì)”與“量”提出更高的要求。歐美與日本等地區(qū)此類(lèi)產(chǎn)品的研究起步較早，針對(duì)老年人運(yùn)動(dòng)障礙程度不同與生活環(huán)境差異，運(yùn)用現(xiàn)代高科技設(shè)計(jì)、研發(fā)各類(lèi)型老年人助行器。20 世紀(jì)逐漸發(fā)展起來(lái)的中國(guó)老年人用品市場(chǎng)與歐美市場(chǎng)形成相當(dāng)?shù)姆床?，老年人助行器的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)剛剛開(kāi)始，尚處于培育期，與其中很多是普遍適用型產(chǎn)品，真正為老年人量身定做的助行器種類(lèi)很少，生產(chǎn)廠家較少，產(chǎn)品種類(lèi)缺乏，現(xiàn)有產(chǎn)品的安全性與使用效果都很難達(dá)到老年人要求。與國(guó)外日美韓相比仍有較大差距，目前來(lái)說(shuō)在國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有形成很有體系的研發(fā)高校或者研究單位，有一些研究仍舊停留在實(shí)驗(yàn)室的階段，還未達(dá)到實(shí)用階段，要形成成熟并且能夠讓大眾接受還有一段很遠(yuǎn)的距離。不過(guò)隨著國(guó)內(nèi)863 計(jì)劃重大項(xiàng)目對(duì)助行機(jī)器人的重視，國(guó)內(nèi)助行機(jī)器人的研發(fā)必將大踏步追趕。由以上的介紹可以看出，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)助行機(jī)器人的研究近年已經(jīng)非常熱門(mén)，而且在國(guó)外逐餞行成比較系統(tǒng)的研發(fā)系統(tǒng)，甚至部分已經(jīng)進(jìn)入試驗(yàn)或者試用階段，已經(jīng)得到不少用戶(hù)的認(rèn)可。不過(guò)在行走支持技術(shù)等領(lǐng)域，需要解決移動(dòng)靈活性、能源高效化、便攜性和多種路面適用性等技術(shù)難題。在輔助導(dǎo)航技術(shù)方面，需要開(kāi)發(fā)更準(zhǔn)確可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)，包括定位、路徑規(guī)劃和系統(tǒng)控制，并賦予機(jī)器人學(xué)習(xí)能力，能夠獲取用戶(hù)的個(gè)性特征，自動(dòng)適應(yīng)用戶(hù)的行為，來(lái)提高用戶(hù)的舒適度。39第2章 助行機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案 第2章 助行機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案突破助老/助殘機(jī)器人的行走輔助關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合助行任務(wù)的功能要求，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的演示驗(yàn)證，概念樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。本課題將解決總體目標(biāo)中的行走輔助技術(shù)難題，為各類(lèi)性質(zhì)輔助系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)平臺(tái)。因此在助行機(jī)器人研制中要充分考慮與操作臂和其它傳感器的集成需要。目前情況下，不管是在國(guó)外還是在國(guó)內(nèi)研制的助行機(jī)器人，大部分都只能在室內(nèi)環(huán)境運(yùn)行，對(duì)地面平整度要求很高，即使少數(shù)可以在室外運(yùn)行的助行機(jī)器人也還未到很成熟的階段，但是對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，一款助行器如果只能在有效而且嚴(yán)格的使用環(huán)境下使用的話，必然沒(méi)有什么太大的實(shí)用價(jià)值。對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，一款能夠適用與各種地面，復(fù)雜地形的助行機(jī)器人?？紤]國(guó)內(nèi)外這些研究情況結(jié)合這次 863 項(xiàng)目的研究和對(duì)國(guó)內(nèi)助行機(jī)器人研究的現(xiàn)狀分析，本次項(xiàng)目打算能夠研制一款助行機(jī)器人，能夠適用于室內(nèi)/室外多種地面的移動(dòng)模式：采用傳感器檢測(cè)路面的角度和輪速的變化，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)輪的力矩和速度，無(wú)論在室內(nèi)的平整路面，還是在室外的起伏路面，用戶(hù)均能獲得平穩(wěn)的行走體驗(yàn)和高效的能源效率。部分助行機(jī)器人面向視力受損不過(guò)還未完全失明的人，部分面向老年人，主要針對(duì)肌肉無(wú)力等情況。就目前國(guó)外研究情況來(lái)看，主要的還是面向殘疾人和一些老年人。本項(xiàng)目研制的助行機(jī)器人主要人群針對(duì)行走不便、視弱、盲人等的老年人和殘疾人，以日常生活和工作所需要的行走輔助為主要目標(biāo)。一般助行機(jī)器人的速度一般在1m/s 以?xún)?nèi)，速度設(shè)計(jì)太快的話，一般需要比較大的電機(jī)而導(dǎo)致負(fù)重太大，而且一般沒(méi)必要，因?yàn)橹衅鞯淖饔檬禽o助人行走， 1m/s 跟人走路的速度其實(shí)是差不多的，在之前描述的國(guó)內(nèi)外助行機(jī)器人中，大部分機(jī)器人的設(shè)計(jì)速度都不快。在本樣機(jī)的研制中，綜合考慮了樣機(jī)設(shè)計(jì)的初級(jí)階段和項(xiàng)目組的技術(shù)能力。一般助行機(jī)器人都是需要自帶電池，一般情況下電池不能太重，不然助行器會(huì)顯得很笨重，大部分助行器的連續(xù)作業(yè)時(shí)間不超過(guò)10 小時(shí)，本樣機(jī)考慮的連續(xù)作業(yè)時(shí)間為大概4 小時(shí)。助行機(jī)器人一般都比較笨重，對(duì)于其普及和家用起到一定限制，少部分助行機(jī)器人深圳達(dá)到100 公斤，顯然對(duì)與一般用戶(hù)來(lái)說(shuō)有些難以接受。本樣機(jī)的設(shè)計(jì)重量為30 公斤，即助行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)重量包括電池在內(nèi)不超過(guò)30 公斤。1) 助行機(jī)器人擬采用便攜式助行器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用人體工